Czujniki oświetlenia

Technika
Czujniki
oświetlenia
parametry
i aplikacje
Coraz większa penetracja urządzeń elektronicznych w naszym życiu, szybko
rosnący rynek komunikacji oraz pojawiające się urządzenia IoT powodują, że
znaczenie różnego rodzaju sensorów czynników środowiskowych szybko rośnie.
Inżynierowie coraz częściej muszą w swoich projektach aplikować takie czujniki
i łączyć je w odpowiedni sposób z logiką cyfrową. Niniejszy artykuł skupia się na
czujnikach światła, pokazując popularne elementy tego typu dostępne na rynku,
ich możliwości i sposoby integracji w aplikacjach.
W
tabeli 1 pokazano podstawowe parametry popularnych czujników światła spotykanych na rynku. Jak widać, ich funkcje użytkowe
znacznie się różnią, tak samo jak koszt
i zajmowana przez nie wielkość na płytce drukowanej. Najprostszy jest fotorezystor, który jest jednocześnie najstarszy i najtańszy. Popularne wersje tego
elementu bazują na siarczku kadmu, zapewniającym wysoką czułość na światło,
ale też duży rozrzut parametrów początkowych i zależność sygnału wyjściowego
od temperatury i warunków polaryzacji. Droższe fotorezystory wykonuje się
z arsenku galu, co pozwala na ich integrację wewnątrz struktury półprzewodnikowej. Niemniej niewielkiej szerokości przerwa zabroniona w tym półprze-
wodniku powoduje, że maksimum czułości takiego elementu przypada na pasmo bliskiej podczerwieni.
Fotodioda (klasyczna lub PIN) jako
czujnik światła to element pracujący
w kierunku zaporowym, więc od strony
aplikacyjnej używa się jej podobnie jak
fotorezystora, czyli jako regulowany element dzielnika napięciowego. Im wyższe napięcie polaryzacji fotodiody, tym
jej czułość i liniowość jest lepsza, niemniej rośnie też prąd ciemny i szumy.
Uzyskanie wysokiej liniowości fotodiody wymaga dodania układu linearyzacji
lub programowej korekcji nieliniowości.
Z kolei fototranzystor to inaczej fotodioda połączona z pojedynczym tranzystorem jako wzmacniaczem. Element ten
zapewnia dobrą czułość przy zadowalającej szybkości, nawet dziesięciokrot-
Rys. 1. Schemat blokowy czujnika analogowego EL 29009 firmy Intersil
74
Wrzesień 2014
nie większą w porównaniu z fotodiodą o takim samym obszarze aktywnym.
Niemniej duży rozrzut parametrów powoduje, że zastosowanie fototranzystora
wymaga kalibracji i ew. korekcji liniowości. Stąd fototranzystory stosuje się najczęściej jako detektory progowe (ciemno/jasno), bo tam takie obwody nie są
konieczne i o ile fotodiody mają duży
obszar światłoczuły, to struktury fototranzystorów są niewielkie.
Analogowe czujniki światła
ze wzmacniaczem
Niewielkie wymiary sensorów półprzewodnikowych pozwalają na integrację
ich razem ze wzmacniaczem w ramach
jednej struktury. Przykładem takiego
elementu mogą być fotodiody z wbudowanym wzmacniaczem integrującym jak
Rys. 2. Czujnik cyfrowy z wbudowanych przetwornikiem ADC
Elektronik
074_tech_spezial_09.indd 74
Process CyanProcess MagentaProcess YellowProcess Black
8/27/14 12:55 AM
Technika
EL 29009 firmy Intersil (rys. 1). Ich cechą charakterystyczną jest wysoka czułość już od 0,3 luksa, aż do 10000 luksów,
co pozwala na detekcję światła w bardzo
szerokim zakresie. Wbudowany wzmacniacz zapewnia też kompensację temperaturową fotodiody i jej niezależność parametrów od wartości prądu ciemnego.
Odpowiednio dobrana struktura i charakterystyka wzmacniacza powodują, że charakterystyka spektralna takiego elementu hybrydowego jest zbliżona do tej jaką ma oko ludzkie, co ogranicza potrzebę stosowania zewnętrznych
optycznych fi ltrów odcinających podczerwień oraz ultrafiolet lub przesuwających widmo w stronę koloru zielonego. Maksimum czułości przypada na 550
nm, z oknem spektralnym zawierającym
się między 400 a 700 nm. Czujnik światła
ze wzmacniaczem wymaga zasilania napięciem 1,8–3,3 V, ale pobierany prąd jest
stosunkowo niewielki, zwłaszcza przy
słabym oświetleniu. Przy braku światła
jest to tylko 250 nA, przy pełnym oświetleniu 9 μA. Dodatkowo w tym elemencie dostępne jest wyprowadzenie Enable
pozwalające na zablokowanie pracy i redukcję prądu zasilającego. Czujnik pracuje w zakresie temperatur od –40°C
to +85°C, co pozwala na jego stosowanie także w warunkach przemysłowych.
Cena hurtowa czujnika wynosi ok. 0,72
dol. za sztukę, co pokazuje, że gdy policzy się sumaryczne koszty fotodiody
lub fotorezystora, wzmacniacza oraz filtru optycznego, zastosowanie EL 29009
może być tańsze.
W ramach serii takich układów dostępne są wersje wyposażone na wyjściu
w źródło prądowe lub elementy z wyjściem napięciowym, o małej i dużej czułości, co pozwala na dobranie najlepszego komponentu do pełnionej funkcji.
Czujniki z wyjściem cyfrowym
Omówione powyżej układy integrujące fotodiodę i wzmacniacz kondycjonujący sygnał zaliczane są do analogowych
czujników światła otoczenia. Oprócz
nich na rynku są dostępne elemen-
Rys. 3. Zasilacz do oświetlenia LED może być uzupełniony o czujnik światła praktycznie
bez żadnych zmian
ty z wyjściem cyfrowym, gdzie oprócz
wzmacniacza kondycjonującego sygnał
z sensora światła dodano jeszcze przetwornik analogowo-cyfrowy. Fabryczna
kalibracja i pełna kompensacja obwodów
analogowych zapewnia to, że na wyjściu
otrzymuje się cyfrową wartość proporcjonalną do natężenia oświetlenia.
Atutem cyfrowych czujników jest dokładny 16-bitowy przetwornik ADC
z obwodami integrującymi zapewniającymi niewrażliwość na sygnały zakłócające o częstotliwości 50 i 60 Hz pochodzące od świetlówek (wbudowany fi ltr
górnoprzepustowy). Obwody kompensacyjne wzmacniacza analogowego zapewniają charakterystykę spektralną zbliżoną do charakterystyki oka ludzkiego
wraz z odcięciem widma od strony podczerwieni i ultrafioletu. Jako sensor wykorzystywana jest fotodioda PIN (rys. 2).
Czułość czujnika może być programowana w jednym z 4 podzakresów, co pokrywa potrzeby większości aplikacji i zawiera się w przedziale od 0,0019 to 8000
luksów. W trybie o najwyższej czułości
1 luks odpowiada cyfrowej wartości 520
na wyjściu przetwornika.
Od strony wyjścia element ma interfejs szeregowy I 2 C kompatybilny
z SMBus. Pomiary mogą być synchroni-
Tabela 1. Charakterystyka dostępnych czujników światła
Prąd wyj. dla Typowy czas
1000 luksów odpowiedzi
Różny
50 ms
3 μA
5 ns
1 mA
15 μs
Funkcja
enable
Brak
Brak
Brak
Element
Zakres pomiarowy
Dokładność
Fotorezystor
Fotodioda
Fototranzystor
Fotodioda z wbudowanym
wzmacniaczem
Kompletny czujnik
z wyjściem cyfrowym
1–100 luksów
5–50 tys. luksów
1–100 tys. luksów
Niewielka
Niewielka
Średnia
1–100 tys. luksów
Dobra
0,9 mA
0,5 ms
Tak
0,3–10 tys. luksów
Bardzo dobra
0,3 mA
100 ms
Tak
zowane za pomocą linii przerwań, gdzie
po wykonaniu pomiaru (co ok. 100 ms)
przez ADC generowane jest przerwanie.
Czujnik zasilany jest napięciem od 2,25
do 3,63 V (interfejs I2C od 1,7–3,6 V), pobiera maksymalnie 75 μA podczas pracy i 0,3 μA w stanie shutdown. Zakres
temperatur pracy wynosi –40°C...+85°C.
Cena czujnika waha się w zależności od
wersji od 0,8 do 1,5 dol. za sztukę.
Oświetlenie LED
Zakres aplikacyjny czujników światła
otoczenia jest bardzo szeroki, ale w ostatnich latach wraz z szybkim upowszechnianiem się oświetlenia LED i wzrostem
znaczenia zagadnień oszczędności energii coraz istotniejsze staje się dopasowywanie jaskrawości oświetlenia do aktualnych potrzeb w lampach LED i układach
podświetlających wyświetlacze LCD.
Wiele sterowników zasilających łańcuchy diod LED ma wejścia umożliwiające regulację jasności świecenia za pomocą PWM. Nierzadko są one niewykorzystywane, a dodanie do nich czujnika z wyjściem analogowym możliwe jest
praktycznie bez żadnych zmian układowych (rys. 3).
Patrząc na ceny czujników światła
z wbudowanym wzmacniaczem, zarówno
analogowych, jak i cyfrowych, widać, że
całkowity koszt projektu jest zbliżony do
tych zawierających fotorezystory, niemniej
parametry użytkowe są znacznie lepsze.
SE Spezial-Electronic Polska
ul. Stępińska 22/30, lokal 209
00-739 Warszawa, tel. 22 840 91 10
[email protected], www.spezial.pl
Elektronik
074_tech_spezial_09.indd 75
Process CyanProcess MagentaProcess YellowProcess Black
Wrzesień 2014
75
8/27/14 12:55 AM